A geração de energia elétrica é um dos principais responsáveis pelo grande número de emissões de carbono na atmosfera, causa de mudanças climáticas. Combustíveis fósseis (carvão, gás natural, petróleo) são a matéria-prima utilizada em larga escala ao redor do globo e a combustão desses materiais produz diversas substâncias, como o dióxido de carbono (CO₂), que permanecem por séculos na atmosfera. Outro fator agravante é que esse tipo de geração de energia não é “sustentável”, pois a matéria-prima utilizada é limitada e, devido ao alto consumo de eletricidade nos dias de hoje, já existem estimativas que variam entre de 50 e 200 anos o prazo para que acabem as reservas restantes.

Uma fonte de energia renovável significa energia sustentável, ou seja, algo que não pode acabar ou que é extremamente duradouro – tomando como referência o nosso tempo de vida – como é, por exemplo, o caso do Sol. O termo “energia alternativa” geralmente se refere a energias renováveis ​​também. Significa que são fontes de energia “alternativas” às fontes não sustentáveis (fósseis), que são as ​​mais comumente utilizadas. Devido à necessidade de tecnologias “limpas” e sustentáveis, as energias renováveis têm se tornado cada vez mais proeminentes na geração de energia elétrica.  entre as energias renováveis mais difundidas estão:

 

• • Eólica: energia gerada através do movimento e força do vento;
  • Hidroelétrica: energia gerada pelo movimento de uma grande massa de água em uma represa;
  • Geotermal: energia gerada pelo calor interno do planeta;
  • Oceânica: energia gerada pelo movimento das marés;
  • Solar: energia gerada pela captação dos raios solares;

Potencial da energia solar

A geração de eletricidade a partir de energia solar é uma das tecnologias com baixas emissões de carbono com alto potencial de crescimento. Mais de 99,9% do fluxo de energia na superfície terrestre deve-se à radiação solar. O Sol pode ser visto como um reator gigante de fusão nuclear, atingindo temperaturas de 10.000 ºC em sua superfície. A cada segundo, 657 milhões de toneladas de isótopos de hidrogênio são convertidos em 653 milhões de toneladas de hélio. A massa residual é convertida em energia, o que significa 3,6 × 10²⁶ watts de potência de energia. Para criar uma analogia, se nas Cataratas do Niágara (localizadas nos Estados Unidos) corresse gasolina no lugar de água, a uma taxa de 5 bilhões de galões por hora e tivéssemos começado a coletar esse combustível há 3,5 milhões de anos atrás, a combustão de toda essa gasolina acumulada liberaria a quantidade de energia equivalente a um minuto da produção do Sol.

Estando bem longe do Sol, a Terra recebe apenas 0,000000001% dessa radiação. E cerca de 30% dessa energia nem chega a atingir a superfície da Terra, porque é refletida ainda na atmosfera (como radiação ultravioleta). Ainda assim, a radiação que atinge a superfície terrestre é quatro ordens de magnitude maior do que o consumo total de energia do mundo. Apenas 40 minutos de sol seriam suficientes para suprir toda a demanda anual de energia na Terra. No entanto, como a energia solar se espalha de maneira uniforme pelo espaço, ela atinge a superfície da Terra de forma bastante diluída, se tornando assim um desafio concentrá-la para a sua utilização.

 

Origens do uso da energia solar

Em teoria, a energia solar era usada pelos humanos já no século 7 a.C. para, por exemplo, acender fogueiras com materiais similares a uma lupa moderna. Mais tarde, no século 3 a.C., os gregos e romanos ficaram conhecidos por aproveitar a energia solar com espelhos para acender tochas em cerimônias religiosas. A civilização chinesa documentou o uso de espelhos para o mesmo propósito posteriormente, em 20 d.C. No final dos anos 1700 e 1800, pesquisadores e cientistas tiveram sucesso usando a luz solar para fornecer energia a fornos durante longas viagens. Eles também aproveitaram a energia do Sol para produzir barcos a vapor movidos a energia solar.

Em 1954, Bell Labs desenvolveu a primeira célula fotovoltaica de silício. Embora a energia solar tenha sido previamente capturada e convertida em energia utilizável por meio de vários métodos, somente depois de 1954 ela começou a se tornar uma fonte viável de eletricidade para alimentar dispositivos por longos períodos de tempo. As primeiras células solares possuíam uma eficiência de conversão da radiação solar em eletricidade de apenas %. Em 1958, o satélite Vanguard I usou um minúsculo painel de 1 watt para alimentar seus rádios. Atualmente já existem painéis solares sendo utilizados em larga escala no espaço. Satélites e veículos que são enviados em missões para fora do planeta, como os Rover, são alimentados por meio de placas fotovoltaicas. A estação espacial internacional (ISS) possui oito matrizes de painéis solares que, em conjunto, são capazes de produzir 240 kW de potência elétrica. Devido ao constante aprimoramento da tecnologia fotovoltaica, a eficiência das placas solares aumentou significativamente, com alguns modelos atingindo uma eficiência próxima de 23% nos dias atuais.

 

Como funciona a captura solar?

As duas principais formas de aproveitamento da energia solar são:

• Térmica;
• Fotovoltaica;

A energia fotovoltaica é muito mais comum para projetos de eletricidade de menor escala (como instalações de painéis solares residenciais), e a captura térmica é normalmente usada para aquecimento de água e ar.

 

Nos sistemas térmicos, a energia é captada através de painéis solares térmicos, também chamados de coletores solares. Os painéis são simples e têm a função de transferir o calor da radiação solar para a água ou óleo que passa por dentro deles, para então ser utilizado como fonte de calor.

 

Os sistemas fotovoltaicos possuem uma tecnologia mais complexa. Um painel solar fotovoltaico (também conhecido como módulo solar) consiste de:

 

• camada de células de filme fino;
• estrutura de metal;
• unidade de revestimento de vidro;
• fiação para transferir a corrente elétrica da célula de filme fino.

 

Os painéis solares convertem a energia solar em eletricidade utilizável por meio de um processo conhecido como efeito fotovoltaico. Quando a luz solar incidente atinge um material semicondutor, uma pequena tensão elétrica é gerada, colocando os elétrons em movimento e gerando uma corrente elétrica que pode ser capturada com fiação. Devido a geração de energia do sistema ser baseada em corrente contínua, ela necessita ser convertida em corrente alternada para ser utilizada na rede elétrica caseira, processo que é realizado por um inversor conectado ao sistema.

A energia solar pode ser capturada em várias escalas usando energia fotovoltaica. A instalação de painéis solares é uma maneira inteligente de economizar dinheiro na conta de energia elétrica e, ao mesmo tempo, reduzir sua dependência de combustíveis fósseis não renováveis. Grandes empresas e concessionárias de energia elétrica também podem se beneficiar da geração de energia solar fotovoltaica, instalando grandes painéis solares que podem alimentar as operações da empresa ou fornecer energia para a rede elétrica.

 

Futuro da energia solar

De acordo com diversos estudos recentes, a energia solar pode ser chamada a desempenhar um papel muito maior no sistema de energia global já em meados desse século. Cerca de dois terços das emissões de CO₂ de combustíveis fósseis estão associados à geração de eletricidade, aquecimento e transporte. Já sabemos como usar a energia solar para gerar eletricidade com emissões de CO₂ muito baixas e sabemos como usar eletricidade para fornecer calor e serviços de transporte de superfície. Logo, a energia solar tem uma perspectiva muito positiva na tentativa de uma geração de energia mais consciente.

Na exposição do MCT, você encontra diversos experimentos que envolvem tecnologias utilizadas na geração de energia elétrica. Incluindo exemplo de energias renováveis como solar e eólica. Lá você pode interagir e descobrir muito mais sobre os diferentes tipos de produção de energia que acontecem em nosso planeta.

Referências:
https://www.eia.gov/energyexplained/solar/
https://www.energysage.com/
https://www.epa.gov/energy/learn-about-energy-and-its-impact-environment

Schmalensee, R., Bulovic, V., et al. The Future of Solar Energy.  MITei, 2015.

Jãger, K., Isabella, O., Smets, A., van Swaaij, R., Zeman, M. Solar Energy: Fundamentals, Technology, and Systems. Delft University of Technology, 2014.

Radovic, L. R. Energy and Fuels in Society: Analysis of Bills and Media Reports. 1997.